Testen von Batterien mittels Thermischer Analyse 

Im Bereich der Batterieforschung werden momentan beträchtliche Anstrengungen im Hinblick auf die Optimierung der Zellen unternommen. Ziel ist es, neue Materialien bzw. Materialkombinationen zu finden, die eine bessere Energie- und Leistungsdichte sowie eine effizientere Energiespeicherung ermöglichen. Ohne den Einsatz hochauflösender Messtechnik für die Charakterisierung von der eingesetzten Materialien und Werkstoffkombinationen sind zielführende Optimierungen kaum möglich.

Sie entwickeln und stellen Rohmaterialien für die aufladbare Batterien her?

Dann sind Sie sicher interessiert an:

 

• Phasenumwandlungsreaktionen oder Phasendiagrammen
• der Charakterisierung von nano- oder teilkristallinen bzw. amorphen Materialien
• dem physikalischen oder chemischen Verhalten und der Stabilität der Materialien in Abhängigkeit von der Temperatur oder der Zeit zu erfahren
• der Charakterisierung der freigesetzter Gase bei Zersetzungs- oder Verdampfungsreaktionen
• der Untersuchung der Thermische StabilitätEin Material ist thermisch stabil, wenn es sich unter Temperatureinfluss nicht zersetzt. Eine Möglichkeit, die thermische Stabilität einer Substanz zu bestimmen ist die Verwendung eines TGA (thermogravimetrischer Analysator).thermische Stabilität von Batterie-Komponenten
• Daten über die thermophysikalischen Eigenschaften zur thermischen Simulation und Modellierung von Zellen und Batteriestapel

Neben der Charakterisierung von neuen Materialsystemen spielen auch deren Herstellungsprozesse, Einsatzgrenzen sowie Designaspekte für die Produktion und Anwendung eine entscheidende Rolle. NETZSCH bietet dabei Gerätelösungen an, die neben der reinen thermischen Charakterisierung der Materialien auch die Optimierung weiterer Parameter zulassen.

Sie entwickeln oder stellen Batteriekomponenten her?

Dann sind Sie sicher interessiert an:

 

• der Charakterisierung der thermomechanischen Eigenschaften, wie z.B. Schrumpfen während des Sinterns und der thermischen Ausdehnung
• der Charakterisierung der WärmeleitfähigkeitDie Wärmeleitfähigkeit (λ mit der Einheit W/(m•K)) beschreibt den Transport von Energie - in Form von Wärme - durch einen Körper aufgrund eines Temperaturgefälles.Wärmeleitfähigkeit de eingesetzten Werkstoffe
• der Bestimmung der Wärmekapazität
• der Verbesserung der thermischen Stabilität der Kathode, der Anode des Elektrolyts oder der Separatorwerkstoffe
• der Analyse des Verhaltens der Komponenten unter Druck- oder Temperatureinfluss
• der Untersuchung von Kompatibilitäten zwischen den einzelnen Komponenten
• der Entwicklung von Qualitätssicherungs-Methoden zu entwickeln, die die Herstellung optimal begleiten können 

Jede Applikation hat unterschiedliche Leistungsanforderungen und Rahmenbedingungen. Seitens der verwendeten Chemie gibt es dabei keine allgemeingültige Lösung, die alle Anwendungen optimal bedient. Neue Anforderungen oder Herstellungstechnologien bedingen häufig Änderungen in den eigensetzten Materialkomponenten. Nur wenn das thermische Management der Systeme passt, können eine lange Lebensdauer und eine hohe Performance der Batteriezellen sichergestellt werden.

Wie bei vielen anderen Systemen, die auf elektrochemischen Prozessen beruhen, wird die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von Akkumulatoren von der Einsatztemperatur beeinflusst. Hohe Temperaturen erhöhen das Risiko von Neben- und Zersetzungsreaktionen, was wiederum zu einer Verkürzung der Batterielebensdauer führen kann.

Wichtig für die Entwicklung optimal auf den Einsatz zugeschnittener Batteriesysteme ist die exakte Kenntnis der Wärmemengen, die von den Batteriezellen während der Lade-/Entladezyklen freigesetzt werden.

Daneben ist auch das Verhalten bei unsachgemäßer Bedienung oder bei Schädigung von Interesse.

Sie entwickeln oder stellen Batteriezellen her?

Dann sind Sie sicher interessiert an:

 

• Informationen über den Einfluss des Zellendesigns auf die Leistungsfähigkeit der Batterien zu erfahren
• der Grenztemperatur, ab der in Lithium-Ionen-Zellen bzw. zwischen den Komponenten Reaktionen ablaufen, die mit einer hohen Wärmefreisetzung verbunden sind, sowie deren Abhängigkeit vom Ladezustand
• der Wärmemenge, die während einer Reaktion freigesetzt wird, an der Reaktionsgeschwindigkeit und dem Druck, der von den Zersetzungsgasen in oder um die Zelle aufgebaut werden kann
• den Auswirkungen einer mechanischen Schädigung einer Zelle passieren kann

In vielen Fällen wird beim Auf- oder Entladen einer Batterie Wärme erzeugt. Die isotherme Kalorimetrie im Zusammenhang mit Batterie-Cyclern ist eine elegante Methode zur Charakterisierung des Wärmeflusses und somit zur indirekten Analyse von Kapazitätsänderungen und damit der Lebensdauer einer aufladbaren Batterie. Temperaturen, Lade- und Entladungsrate sowie die Entladetiefe haben jeweils einen großen Einfluss auf die Lebensdauer der Zellen. Neue Batteriedesigns (Wahl des neuen Materials und/oder die innere Struktur der Zelle) können dank kalorimetrischer Messung untersucht und bewertet werden. Das Accelerating Rate Calorimeter (ARC^®), ausgestattet mit einem 3D-Sensor, erlaubt auch Tests im isothermen Modus. Dabei ist die Sicherheit für das Gerät als auch den Bediener gewährleistet.

Sie wollen die Leistungsfähigkeit einer Batterie oder deren Lade-/Entladeverhalten analysieren?

Dann sind Sie sicherlich interessiert an:

 

• den Daten der exakten Wärmegeneration von Batteriemodulen
• der sicheren Durchführung eines Lade-/Entladungstests ohne Gefahr zu laufen, die Apparatur und der Freisetzung kritischer Gase
• den Einflüssen von Alterung und Wechselbeanspruchung auf die Batterieperformance
• dem Einfluss von Änderungen im physikalischen und elektrochemischen Aufbau der Zelle auf die Ladungskapazität

Wenn Akkumulatoren keine ausreichende Performance mehr haben und damit das Ende ihrer Lebensdauer erreichen, werden sie heutzutage gesammelt und Verwertungsfirmen zugeführt. Häufig werden sie dann in Einzelkomponenten zerlegt und recycelt.

Batterien setzen sich aus Bauteilen unterschiedlicher Materialien zusammen, wie z.B. Polymere, Oxide oder Metalle. Die Thermische Analyse stellt ein nützliches Werkzeug für eine Charakterisierung in diesem Bereich dar. Werkstoffzusammensetzungen können schnell und einfach analysiert werden, Verunreinigungen werden erkannt und ein geeigneter Recyclingweg kann definiert werden.

Sie sind im Bereich des Recyclings von Batterien tätig?

Dann sind Sie sicherlich interessiert an:

 

• der Analyse, inwieweit eine Trennung der Hauptkomponenten möglich und sinnvoll ist
• der Untersuchung der chemischen und physikalischen Prozesse, die beim Zerlegen einer Batterie auftreten können
• der Charakterisierung jeder Batteriekomponente vor, während und nach der Separation
• der Charakterisierung des recycelten Materials

Lithium-Ionen-Batterien bieten viele Vorteile im Bereich der portablen Elektronik. Jedoch können sie bei sehr hohen Temperaturen oder mechanischer Beschädigung extrem hohe Wärmemengen in kurzer Zeit freisetzen – bis hin zu einem Brandausbruch. Zur Gewährleistung der Sicherheitsaspekte müssen bei der Herstellung von sicheren und leistungsfähigen Batterien daher die Betriebsgrenzen eindeutig und genau analysiert werden.

Mit der Möglichkeit zur Untersuchung eines “worst-case-Szenario” (thermisches Durchgehen) liefert die adiabatische Kalorimetrie Antworten auf die Fragen nach der Temperatur, bei der Lithium-Ionen-Zellen oder deren Komponenten in eine nicht mehr aufzuhaltende ZersetzungsreaktionEine Zersetzungsreaktion ist eine thermisch induzierte Reaktion einer chemischen Substanz, die fest und/oder gasförmige Zersetzungsprodukte bildet.Zersetzungsreaktion hineinlaufen, bei der enorm hohe Wärme- und Gasmengen freigesetzt werden. Der Anstieg des Gasdruckes ist dabei ebenso wichtig wie die zeitliche Änderung der Temperatur. Mittels isothermer Kalorimetrie können diese Informationen, die für das thermische Management der Batterie von entscheidender Bedeutung sind, einfach und schnell gemessen werden.

Sie entwickeln oder stellen Komponenten für Batterien her oder entwickeln daraus Zellen und oder Zellenstacks?

Dann sind Sie sicherlich interessiert an:

 

• Untersuchung des „thermal runaway“ (thermisches Durchgehens) der Batterie unter allen möglichen Einsatzbedingungen
• der Messung des Druckanstieges, der beim thermischen Zusammenbruch einer Zelle entsteht
• den Temperaturen, bei denen es zu lokalen Kurzschlüssen innerhalb der Zelle kommen kann
• den chemischen oder physikalischen Prozessen, die bei einem lokalen Kurzschluss innerhalb der Zelle auftreten
• der Optimierung des Zellenaufbaus, so dass die Wahrscheinlichkeit von lokalen Kurzschlüssen oder Hot-Spots reduziert wird
• der Entwicklung und Optimierung von Sicherheitseinrichtungen (d.h. Vent, CID, PTC), welche beispielsweise bei externen Kurzschlüssen einen Kettenreaktion innerhalb der Zelle vermeiden oder deren Einflüsse auf die Umgebung reduzieren
• der Klassifizierung individueller Zellen in Bezug auf das mögliche Risiko- und Gefährdungspotential
• gefahrenlosen, isothermen Lade-/Entladeversuchen in einer kontrollierten Umgebung, ohne Risiko einer Zerstörung der Apparatur
• der Optimierung des Wärmetransports innerhalb des Gesamtsystems durch die Reduktion der Wahrscheinlichkeit einer Kettenreaktion beim Ausfall einer Zelle